正文 第五章(3 / 3)

②色散力。由於電子的運動,瞬間電子的位置對原子核不對稱,導致正電荷重心和負電荷重心發生瞬時的不重合,從而產生瞬時偶極,分子瞬時偶極的作用力叫色散力。色散力和相互作用分子的變形性有關,變形性越大(一般分子量越大,變形性越大)色散力越大。色散力在所有分子或原子間都存在。

③取向力。由於極性分子的電性分布不均勻,一端帶正電,一端帶負電,形成偶極。當兩個極性分子相互接近時,由於它們偶極的同極相斥,異極相吸,兩個分子必將發生相對轉動。這種偶極子的互相轉動,就使偶極子的相反的極相對,稱為“取向”。這時由於相反的極相距較近,同極相距較遠,結果引力大於斥力,兩個分子靠近,當接近到一定距離之後,斥力與引力達到相對平衡。這種由於極性分子的取向而產生的分子間的作用力,稱為取向力。取向力發生在極性分子與極性分子之間。

氫鍵:

分子間力一般隨相對分子質量的增大而增大。p區同族元素氫化物的熔、沸點從上到下升高,而NH3、H2O和HF卻例外。如H2O的熔、沸點比H2S、H2Se和H2Te都要高。H2O還有許多反常的性質,如特別大的介電常數和比熱容以及密度等。又如實驗證明,有些物質的分子不僅在液相,甚至在氣相都處於緊密的締合狀態中。例如HF分子氣相為二聚體(HF)2,HCOOH分子氣相也為二聚體(HCOOH)2。根據甲酸二聚體在不同溫度的解離度,可求得它的解離能為59.0kJ/mol,這個數據顯然遠遠大於一般的分子間力。這些反常的現象除與分子間力有關外,還存在另外一種力,這就是在這些反常分子間還存在氫鍵。

(1)氫鍵:

當氫與電負性很大、半徑很小的原子X(X是F、O、N等高電負性元素)形成共價鍵時,共用電子對強烈偏向於X原子,使氫原子幾乎成為半徑很小、隻帶正電荷的裸露質子。這個幾乎裸露的質子能與電負性很大的其他原子(Y)相互吸引,或和另一個X原子相互吸引,從而形成氫鍵。

(2)形成氫鍵的條件:

形成氫鍵有兩個條件:

a.氫原子與電負性很大的原子X形成共價鍵;

b.有另一個電負性很大且具有孤對電子的原子X(或Y)。

氫鍵一般用X—H┄X(Y)表示,把H┄X(Y)之間的鍵稱作氫鍵。在化合物中,容易形成氫鍵的元素有F、O、N,有時還有Cl、S。氫鍵的強弱與形成氫鍵的元素電負性大小、原子半徑大小有關,這些元素的電負性越大,氫鍵越強;這些元素的原子半徑越小,氫鍵也越強。氫鍵的強弱順序為:F—H┄F>O—H┄O>N—H┄N>O—H┄Cl>O—H┄S。

氫鍵的鍵能一般在40kJ/mol以下,比化學鍵的鍵能小得多,和範德華力處於同一數量級。但氫鍵有兩個與範德華力不同的特點,那就是它的飽和性和方向性。氫鍵的飽和性表示一個X—H隻能和一個Y形成氫鍵,這是因為氫原子半徑比X、Y小得多,如果另有一個Y原子接近它們,則受到X和Y原子的排斥力比受氫原子的吸引力大得多,所以X—H┄Y中的H原子不可能再形成第2個氫鍵。氫鍵的方向性是指Y原子與X—H形成氫鍵時,其方向盡可能與X—H鍵軸在同一方向,即X—H┄Y盡可能保持180°。因為這樣成鍵可使X與Y距離最遠,兩原子的電子雲斥力最小,形成穩定的氫鍵。

(3)氫鍵的類型:

氫鍵可以分為分子間氫鍵和分子內氫鍵兩大類。前麵的例子都是分子間氫鍵。HNO3分子,以及在苯酚的鄰位上有—NO2、—COOH、—CHO、—CONH2等基團時都可以形成分子內氫鍵。冰是分子間氫鍵的一個典型。由於分子必須按氫鍵的方向性排列,所以它的排列不是最緊密的,因此冰的密度小於液態水。同時,因為冰有氫鍵,必須吸收大量的熱才能使其斷裂,所以其熔點大於同族的H2S。

氫鍵的形成對物質的物理性質有很大影響。分子間形成氫鍵時,使分子間結合力增強,使化合物的熔點、沸點、熔化熱、汽化熱、黏度等增大,蒸汽壓則減小。例如:HF的熔、沸點比HCl高,H2O的熔、沸點比H2S高,分子間氫鍵還是分子締合的主要原因。分子內氫鍵的形成一般使化合物的熔點、沸點、熔化熱、汽化熱、升華熱減小。氫鍵的形成還會影響化合物的溶解度。當溶質和溶劑分子間形成氫鍵時,使溶質的溶解度增大;當溶質分子間形成氫鍵時,在極性溶劑中的溶解度下降,而在非極性溶劑中的溶解度增大。當溶質形成分子內氫鍵時,在極性溶劑中的溶解度也下降,而在非極性溶劑中的溶解度則增大。例如:鄰硝基苯酚易形成分子內氫鍵,比其間、對硝基苯酚在水中的溶解度更小,更易溶於苯中。

此外,氫鍵在生物大分子如蛋白質、DNA、RNA及糖類等中有重要作用。蛋白質分子的α螺旋結構就是靠羰基(CO)上的O原子和氨基(─NH)上的H原子以氫鍵(CO┈H─N)結合而成。DNA的雙螺旋結構也是靠堿基之間的氫鍵連接在一起的。氫鍵在人類和動植物的生理、生化過程中也起著十分重要的作用。